MIKROPORÉZNÍ TECHNOLOGIE

Transkript

1 MIKROPORÉZNÍ TECHNOLOGIE

2 Definice pojmů sdílení tepla a tepelná vodivost Základní principy

3 MIKROPORÉZNÍ TECHNOLOGIE Definice pojmů sdílení tepla a tepelná vodivost Co je to tepelná izolace? Jednoduše řečeno je to jakýkoliv materiál bránící sdílení tepla. Takže pro pochopení izolačních materiálů musíme pochopit mechanismy sdílení tepla. Sdílení tepla Ani ten nejlepší izolační materiál nedokáže úplně zabránit přenosu tepla. Každý materiál povede nějaké množství tepla jestliže existuje teplotní gradient napříč jeho průřezem. Podle známých zákonů termodynamiky teplo proudí z místa s vyšší teplotou do místa s nižší teplotou. To je jednoduchá fyzika. Účinnost materiálu jako tepelné izolace může být vyjádřena pojmem tepelná vodivost. Míra přenosu tepla tělesem je přímo úměrná teplotnímu gradientu napříč tělesem a jeho průřezu. Tepelná vodivost Ne všechny materiály přenášejí teplo stejně a právě součinitel tepelné vodivosti ( ) je fyzikální veličina popisující tuto materiálovou vlastnost. Čím nižší hodnota součinitele tepelné vodivosti, tím méně daný materiál vede teplo. Tepelně izolační materiály mají malou tepelnou vodivost, zatímco tepelně vodivé materiály mají vysokou tepelnou vodivost. Tepelná vodivost vybraných materiálů/látek při pokojové teplotě: Měď - vynikající vodič Uhlíková ocel Sklo Vzduch Mikroporézní izolace 401 W/m K 54 W/m K 1,05 W/m K 0,026 W/m K 0,021 W/m K Dobré vysokoteplotní izolace mají velmi nízkou tepelnou vodivost při vysokých teplotách. Mikroporézní izolace je nejúčinnějším materiálem v této kategorii. Její součinitel teplené vodivosti zůstává extrémně nízký v širokém rozsahu teplot... od 0,021 W/m K při pokojové teplotě až po 0,034 W/m K při 800 C. Pro homogenní rovinnou desku, jejíž tloušťka je malá ve srovnání s ostatními rozměry, platí: Q = A dt dx Q je přenesené teplo (W) A je měrná plocha (m 2 ) dt/dx je gradient teploty/tloušťka (K/m) je hodnota tepelné vodivosti (W/m K) Co však dělá mikroporézní izolace opravdu vyjímečnými je jejich vynikající izolační schopnost také při kryogenních teplotách. Tepelná vodivost při teplotě -170 C padá až na úžasných 0,015 W/m K. Bez nadsázky skvěle izoluje jak v hlubokých mrazech, tak v žáru přes 1000 C. Díky znalosti hodnoty můžeme kvantitativně porovnávat izolační schopnost různých materiálů. Nejúčinnější tepelná izolace má velmi malou hodnotu součinitele tepelné vodivosti. Význam tepelné izolace a požární odolnosti stále roste a průmyslová odvětví proto hledají materiály s nízkou hodnotou a tedy s vysokou tepelně izolační účinností. 8

4 Základní principy Přenos tepla může probíhat vedením (pevné látky & plyny), konvekcí a sáláním. Přenos tepla se obvykle skládá z příspěvků všech uvedených způsobů. Hnací silou těchto procesů je rozdíl teplot. KONVEKCE VEDENÍ SÁLÁNÍ SÁLÁNÍ Samou podstatou tepelné izolace je omezování fyzikálních procesů sdílení tepla, a tomuto účelu slouží nejlépe naše mikroporézní technologie. Důvod proč nejlepší výkon podává MICROTHERM je tedy dán prostou fyzikou. MIKROPORÉZNÍ TECHNOLOGIE 9

5 MIKROPORÉZNÍ TECHNOLOGIE PEVNÁ LÁTKA MOLEKULY Vedení tepla Jednotlivé molekuly v pevné látce, kapalině nebo v plynu při zahřívání více kmitají. Vedení tepla v pevných látkách probíhá předáváním energie mezi sousedními molekulami právě kmitáním. Intenzita přenosu je závislá na hustotě nebo hmotnosti materiálu. Čím vyšší hmotnost, tím vyšší tepelná vodivost. Vodivost souvisí také s délkou a průřezem vodiče. Míra vedení tepla v pevné fázi je přímo úměrná teplosměnné ploše (průřezu) a nepřímo úměrná tloušťce materiálu. TEPLO PEVNÁ LÁTKA MOLEKULY TEPLO S přírůstkem energie molekuly více kmitají PEVNÁ LÁTKA MOLEKULY Vibrace se šíří napříč materiálem TEPLO S rostoucím přísunem energie kmitání molekul dále roste Základní složkou většiny mikroporézních výrobků je pyrogenní silika (oxid křemičitý SiO 2 ). (množství převedeného tepla je přímo úměrné průřezu vodiče) Vodivé cesty skrz pevnou matrici jsou velmi klikaté a díky tomu velmi dlouhé. Podstatně to snižuje složku sdílení tepla tvořenou vedením v pevné fázi (množství převedeného tepla je nepřímo úměrné délce vodiče). 10

6 Vedení v plynech Všechny materiály, ať už jsou to pevné látky, kapaliny nebo plyny, jsou hmotné a mají tepelnou vodivost a mohou díky tomu vést teplo. Při zahřívání molekul plynu dochází k přeměně tepelné energie na energii kinetickou a molekuly se pohybují rychleji. Vedení tepla v plynech probíhá srážkami sousedních molekul a předáváním jejich kinetické energie. Střední volná dráha je vzdálenost, kterou průměrně urazí molekula mezi dvěma srážkami. Střední volná dráha molekuly vzduchu při standardní teplotě a tlaku je okolo 93 nm. Tepelná vodivost mikroporézní izolace je ovlivněna její objemovou hmotností. Vodivost v plynné fázi omezíme stlačením mikroporézních řetězců na optimální objemovou hmotnost, při níž jsou póry v materiálu menší než je střední volná dráha molekul vzduchu. Toto uspořádání brání molekulám uzavřeného vzduchu ve srážkách a volném pohybu. Tento způsob účinně omezuje schopnost plynu vést teplo. Jednoduše řečeno čím vyšší objemová hmotnost, tím více částic a tím vyšší tepelná vodivost (vedení v pevné fázi). Na druhou stranu čím nižší objemová hmotnost, tím větší póry a tedy vyšší tepelná vodivost (vedení v plynné fázi). Vyváženým vztahem mezi vedením v pevné a plynné fázi můžeme získat optimální hodnotu tepelné vodivosti pro optimální účinnost každého mikroporézního výrobku. 0,045 Závislost tepelné vodivosti MICROTHERM 1000 na objemové hmotnosti při teplotě 400 C TEPELNÁ VODIVOST (W/m K) 0,040 0,035 0,030 0, OBJEMOVÁ HMOTNOST (kg/m 3 ) MIKROPORÉZNÍ TECHNOLOGIE 11

7 MIKROPORÉZNÍ TECHNOLOGIE Sálání Všechna tělesa pohlcují a vysílají tepelné záření. Infračervené záření je způsob předávání tepla vysíláním elektromagnetických vln. Na rozdíl od vedení nebo konvekce se tohoto způsobu sdílení tepla nezúčastňují částice, takže zářením se přenáší teplo i vesmírným vakuem. Díky záření si můžeme užívat slunečního tepla, přestože slunce je od nás vzdáleno 150 miliónů km. Čím vyšší je teplota tělesa, tím více infračerveného záření vysílá. Intenzita záření roste se čtvrtou mocninou teploty, což způsobuje rychlý růst tepelných ztrát s rostoucí teplotou. Tento fakt vysvětluje, proč je sálání základní příčinou tepelných ztrát nad 100 C. Množství odraženého a pohlceného infračerveného záření se liší podle druhu povrchu. Druhou základní složkou mikroporézních izolací jsou teplotně stabilní opacifika s vybranou velikostí a rozdělením částic. Opacifikující částice jsou zakotveny ve struktuře materiálu a rozptylují až 95 % infračerveného záření a tím snižují prostup sáláním na nejmenší možnou míru. Vliv opacifikujících látek nejlépe ukážeme na srovnání účinnosti izolace MICROTHERM a pyrogenní siliky při vysokých teplotách. 0,10 0,09 TEPELNÁ VODIVOST (W/m K) 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0, TEPLOTA ( C) MICROTHERM Pyrogenní silika (oxid křemičitý SiO 2 )

8 Konvekce Konvekce je přenos tepla prouděním ohřívaných tekutin tedy kapalin nebo plynů. Při volné konvekci je pohyb tekutin způsoben pouze sdílením tepla. Při ohřívání se tekutiny rozpínají a v důsledku klesající hustoty proudí vzhůru. Během proudění odevzdávají teplo, jejich hustota roste a klesají dolů. Volnou konvekcí mohou obrovské systémy sdílet ohromné množství tepla, jsou to například meteorologické systémy a roztavené horniny pod zemským povrchem. Částice plynu nebo kapalin mohou získávat energii průchodem okolo teplejšího tělesa. Ideálním příkladem je klasický deskový radiátor (ohřátý vzduch stoupá a po zchladnutí klesá dolů). Konvekčním proudům v mikroporézním materiálu brání neschopnost molekul vzduchu proudit uvnitř mikroporézní struktury. Jelikož se mikroporézní materiály skládají především ze vzduchu (> 95 %), nefungují ani jako pevné těleso, které zprostředkovává ohřev proudícího okolního vzduchu. Hlavní mikroporézní složky (pyrogenní silika a opacifika) drží mechanicky pohromadě skleněná vlákna. Velikost vláken je přísně hlídána při zpracování pultruzním procesem. Skleněná vlákna mají průměr, který brání jejich vstřebávání plicní tkání při případném vdechnutí. Izolace MICROTHERM jsou oficiálně certifikované jako bez vláken,, to znamená neobsahující škodlivá vlákna, a to podle evropské Směrnice o nebezpečných látkách 97/69/EC. Zpevňující anorganická matrice dává materiálu manipulační pevnost a strojní opracovatelnost a má velkou přednost v nepřítomnosti organických látek, které by mohly vyhořívat nebo oxidovat. Životnost mikroporézních materiálů je při správném použití prakticky neomezená. Konečným výsledkem je spolehlivý výrobek s extrémně nízkou tepelnou vodivostí, která se podle fyzikálních zákonů blíží nejnižší teoreticky možné hodnotě. Mikroporézní materiály jsou podle ASTM C168 definovány jako - Materiál ve formě zhutněného prášku nebo vláken s průměrnou velikostí komunikujících pórů srovnatelnou nebo nižší než je průměrná volná dráha molekul vzduchu při standardním atmosférickém tlaku. Mikroporézní materiály mohou obsahovat opacifika, která snižují přenos tepla sáláním. MIKROPORÉZNÍ TECHNOLOGIE 13